Condutores, isolantes e semicondutores

Condutores, isolantes e semicondutores
banda de condução
banda de valência
Metal
A razão de porque alguns materiais são condutores enquanto outros são
isolantes está na ocupação e distribuição das bandas. No Na, por exemplo, a
banda correspondente ao orbital 3s, que pode abrigar 2 e-, abriga apenas 1.
Com isso, há níveis disponíveis na banda para que os e- possam aumentar
suas energias ao serem acelerados. Além disso, a banda do orbital 3p está
desocupada e coincide parcialmente com o 3s, permitido que os e- passem
de uma para outra. O Mg, por sua vez, tem a banda 3s completa, mas a 3p
também se superpõe a ela, fazendo do Mg um condutor.
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Quando um campo elétrico é
suficientemente intenso para
promover e- para a banda de
condução, ocorre a ruptura do
dielétrico.
Isolante
Isolante Eg ~ 10 eV
Um sólido é considerado um isolante, quando sua banda de valência está
completa e há uma separação, superior a ~ 2 eV, até a primeira banda
disponível, a banda de condução.
Quase todos os cristais iônicos são isolantes, pois ambos os íons têm suas
camadas fechadas, como no caso do NaCl. A banda vazia mais próxima vem
dos estados excitados dos íons Na+ e Cl-, que apresentam uma diferença de
energia muito grande em relação à cama da de valência.
A excitação térmica, ou mesmo os campos elétricos usualmente empregados,
não são suficientes para conseguir promover um e- da banda de valência para
a de condução.
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E
Semicondutor
banda de valência
fFD
Semicondutor Eg ~ 1 eV
Quando a largura da banda proibida é
pequena (menor que 2 eV), o sólido é
considerado um semicondutor. Consideremos o caso do C, que forma 4
ligações covalentes com outros C para formar o diamante. Dos 8 estados
que o orbital híbrido sp tem, apenas 4 formam estados ligantes. Os outros 4
correspondem a autofunções espaciais anti-simétricas, com energias mais
altas. Esses estados vão dar origem às bandas de condução.
Dependendo da distância interatômica, a separação entre as bandas de
valência e de condução pode fazer do material um isolante (caso do
diamante) ou um semicondutor (caso do Si e do Ge).
Semicondutor intrínseco: semicondutor puro, sem impurezas que afetem a
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distribuição de e- ou buracos.
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Condução elétrica em semicondutores
⊕ → buracos
E
e- de condução
Condução
• → elétrons
Proibida
Valência
r
E
Um campo elétrico aplicado a um semicondutor produz condução elétrica
devido ao movimento dos e- na banda de condução, bem como dos buracos
na banda de valência. No caso dos buracos, o movimento também se deve
aos e-, que, devido ao campo, ocupam sucessivamente a vacância deixada
pelo e- promovido à banda de condução, fazendo com que a vacância se
desloque no sentido oposto.
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Probabilidade de ocupação na banda de condução: f FD ( E ) =
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e ( E − E F ) / kT + 1
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Distribuição da
densidade
eletrônica dos eda banda de
condução do Ge
Distribuição da
densidade
eletrônica dos
e- da banda de
valência do Ge
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Dopagem de semicondutores
O processo de dopagem de semicondutores refere-se à adição, ao cristal
intrínseco, de pequena quantidade de impureza, com propriedades
adequadas, de forma a afetar o comportamento elétrico do semicondutor da
maneira desejada. Existem dopantes doadores e receptores, que produzem
os semicondutores tipo n e tipo p, respectivamente.
Tipo n – Si dopado com As (que tem valência 5)
Eg ~ 1 eV
Ed ~ 0,05 eV
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Tipo p – Si dopado com Ga (que tem valência 3)
Eg ~ 1 eV
Ea ~ 0,07 eV
Fixo!
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